Нейтрино
Элементарные частицы,
которые называются нейтрино, были открыты при изучении радиоактивного
бета-распада. Как оказалось, при распаде с испусканием электрона или позитрона
часть энергии и импульса «исчезает» в неизвестном направлении, и было высказано
предположение, что эта энергия и импульс уносятся еще неизвестной частицей. Эту
частицу назвали нейтрино. Судя по превращениям частиц, нейтрино не должно иметь
электрического заряда. Они обладают очень большой проникающей способностью:
например, могут, пролететь через весь земной шар, не встретив преграды.
Нейтрино относится к классу
элементарных частиц, которые называются лептоны. Это частицы, не
способные к ядерному взаимодействию, но участвующие в особом виде
взаимодействия частиц, которое называется слабым взаимодействием. К
сегодняшнему моменту известны три типа лептонов: электрон, мюон, и тау-частица. Каждый из этих типов частиц обладает особой
характеристикой, которая называется соотвественно
электронный лептонный заряд, мюонный лептонный заряд
и тау-лептонный заряд. Каждый из этих видов
лептонного заряда сохраняется при известных на сегодня четырех типах
взаимодействий. У каждой из этих частиц соответствующий лептонный заряд равен
плюс единице, а электрический заряд - минус единице (как, например, у
электрона). Соотвественно, у их античастиц электический заряд равен плюс единице, а лептонный заряд -
минус единице (как у позитрона (античастица электрона)). Каждому из этих типов
лептонов соответствует свой тип нейтрино, которые называются соответственно
электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино (у каждого из этих типов нейтрино существует
своя античастица, которая называется антинейтрино). Лептонный заряд каждого
нейтрино равен лептонному заряду соотвествующего
лептона, а электрический заряд нейтрино равен нулю.
Теория элементарных частиц
пришла к выводу, что нейтрино, подобно фотону, движется со скоростью, в
точности равной скорости света, а их масса покоя строго равна нулю.
Пример
реакции с участием нейтрино - это распад нейтрона (который происходит при бета-распаде атомных ядер): нейтрон (электрический
и лептонный заряд равен 0) распадается на протон (электрический заряд = +1,
лептонный заряд равен 0), электрон (электрический заряд = -1, лептонный заряд
равен + 1) и электронное антинейтрино (электрический заряд = 0, лептонный заряд
= -1). То есть и электрический, и лептонный заряд при этой реакции сохраняются.
В ядерной реакции,
происходящей на Солнце, четыре протона (ядра атома водорода - в сумме
электрический заряд равен +4, лептонный заряд равен 0) при своем слиянии дают
альфа-частицу (ядро атома гелия, у которого электрический заряд равен +2). Для
того, чтобы компенсировать изменение электрического
заряда, в реакции испускаются два позитрона (у каждого из них электрический
заряд равен +1, а лептонный заряд равен
минус 1). Для того, чтобы компенсировать возникающее
изменение лептонного заряда, в реакции испускаются два электронных нейтрино.
Разделив мощность излучения
Солнца на энергетический выход одной реакции превращения водорода в гелий,
можно узнать, сколько нейтрино испускаются Солнцем в
единицу времени. Подавляющее большинство нейтрино пронзают земной шар насквозь,
но небольшая их часть поглощается земной материей. Созданы детекторы, которые
могут зафиксировать нейтрино, и в середине ХХ века с помощью таких детекторов
нейтрино были обнаружены экспериментально.
Однако,
когда на таких детекторах попытались измерить поток от солнечных нейтрино,
неожиданно оказалось, что их поток в несколько раз меньше, чем предсказывает
теория.
Это явление можно объяснить,
если предположить, что в процессе полета от Солнца до Земли электронные
нейтрино, испускаемые Солнцем, превращаются в мюонные
нейтрино, которые детектор не может зафиксировать. Это явление было названо осцилляции
нейтрино. В настоящий момент эта гипотеза подтверждена многими наблюдениями.
Теория утверждает, что
осцилляции нейтрино возможны только в том случае, если их масса покоя отлична
от нуля. Существует несколько оценок массы нейтрино. Исходя из свойств распада,
массы электронного, мюонного и тау-нейтрино
составляют не больше чем соответственно 2,5 эВ, 0,17 эВ и 24 МэВ. Из
астрофизических оценок, суммарная масса трех типов нейтрино не превышает 40 эВ.
Теория так называемого «механизма seesaw»
говорит, что масса этих трех типов нейтрино может быть соответственно не более
0,0002; 0,003 и 0,1 эВ. В начале XXI века теория осцилляций была подтверждена
экспериментально (см. ниже).
Однако, если масса покоя
нейтрино отлична от нуля, то тогда они не могут двигаться со скоростью света,
потому что в этом случае их масса была бы бесконечно большой. Получаем, что скорость
движения нейтрино не равна скорости света.
Это можно
объяснить и в рамках теории относительности, если предположить, что нейтрино
движутся со скоростью лишь на чуть-чуть медленнее световой, и тогда соотношение
между их массой покоя и энергией хорошо сходится. Так, нейтрино, возникающие при бета-распаде, имеют
энергию порядка 0,8 МэВ. Если принять верхний предел массы покоя электронного
нейтрино - 2,5 эВ - то в этом случае солнечные нейтрино движутся лишь на 0,0015
м/с медленнее света, и их попадание на Землю отстает от луча света лишь на 0,0000000025 секунды.
Однако новые вопросы
поставило наблюдение вспышки сверхновой звезды в галактике Большое Магелланово
облако в 1987 году. При этой вспышке излучение нейтрино было зафиксировано раньше,
чем сам момент взрыва. Конкретно, оптический взрыв был зафиксирован около 6
часов утра 24 февраля 1987 года, а две вспышки нейтрино из той же точки были
зафиксированы 23 февраля 1987 года в 2 часа 52 минуты и в 7 часов 36 минут, то
есть за сутки до взрыва.
А, может быть, на самом
деле, нейтрино двигались строго со скоростью света, но процесс
взрыва сверхновых звезд таков, что между испусканием нейтрино и
оптическим взрывом проходит значительный период времени (например, почти сутки,
как в описанном примере)? Когда-то действительно так и считалось, но эксперименты,
проведенные на ускорителях элементарных частиц уже в 1990-х годах, показали другое. Согласно этим экспериментам, при столкновении лоб-в-лоб двух тяжелых атомных ядер ядерная
материая сначала очень сильно сжимается (в несколько
раз по сравнению с нормальной плотности вещества атомных ядер), а потом
моментально взрывается. Тогда стало ясно, что при взрывах
сверхновых звезд происходит тот же самый процесс: внутренности звезды в
результате гравитационного коллапса сжимаются во много раз сильнее нормальной
ядерной плотности (при этом и происходят ядерные превращения, сопровождающиеся
испусканием нейтрино), в результате чего происходит ядерный взрыв вещества
звезды: внешняя оболочка разлетается, а внутри остается нейтронная звезда,
представляющая собой «очень большое атомное ядро». Такой процесс
происходит очень быстро: от момента испускания нейтрино до оптического взрыва
происходит очень короткий период - доли секунд или единицы секунд, и уж никак
не целые сутки - разница в сутки между этими процессами как раз и объясняется
тем, что нейтрино движутся быстрее света.
Защитники теории
относительности выдвинули еще один аргумент, объясняющий этот феномен со взрывом сверхновой. Согласно этому аргументу, нейтрино
двигались строго со скоростью света (или, если верна теория осцилляций - то
почти со скоростью света), а оптическое излучение двигалось чуть медленнее, чем
скорость света в вакууме, поскольку межзвездная среда - это не чистый вакуум.
Однако этот аргумент, во-первых, не подтверждаются более детальными расчетами
(где из плотности межзвездной среды выводится ее показатель преломления, а из
него - реальная скорость света в межзвездной среде). Во-вторых, известная
формула для скорости света в среде: v=c/n - неприменима в космической среде, поскольку она была
выведена для условий, когда расстояние между частицами среды намного меньше
длины световой волны, поэтому свет распространяется как бы в сплошной среде. В
то время как в космическом пространстве свет распространяется не в сплошной
среде, а среди встречающихся на пути единичных частиц.
В свое время сторонники
теории относительности выдвинули еще такую версию: на самом деле осцилляций
нейтрино не происходит (поскольку на тот момент не было их
пока нет ее прямых свидетельств), масса покоя нейтрино равна нулю и
распространяются они строго со световой скоростью. А недостаток нейтрино от
Солнца объясняется разной скоростью прохождения излучения из недр Солнца к его
поверхности. Согласно этой теории, нейтрино из недр Солнца к поверхности
проникают со скоростью света, а оптическое излучение может просачиваться через
плотные недра Солнца в течение даже нескольких тысяч лет. Тогда, если,
например, несколько тысяч лет назад активность ядерных реакций в недрах Солнца
снизилась в несколько раз, то оптическое излучение Солнца по инерции остается
тем же, что и было раньше, а поток нейтрино уменьшается, и таким образом
возникает несоответствие между оптическим излучением и потоком нейтрино от
Солнца. Плюс этой гипотезы в том, что она дает объяснение чередованию ледниковых
периодов и периодов потеплений на Земле - это объясняется тем, что мощность
Солнца подвержена колебаниям. Однако, как показывают расчеты (с которыми можно
ознакомиться, заглянув на ссылку в интернете: http://element114.narod.ru/neutrino.html), скорость просачивания излучения из недр Солнца к
поверхности составляет не тысячи лет, а значительно более короткое время. И,
наконец, в 2000-2001 годах в эксперименте «Супер-Камоканде»
в Японии было получено прямое свидетельство осцилляции солнечных нейтрино. В
более ранних экспериментах измерялось количество только электронных нейтрино от
Солнца, которых действительно было в несколько раз меньше, чем предсказывала
«стандартная модель» строения Солнца. Однако в эксперименте «Супер-Камиоканде» был измерен поток не только электронных
нейтрино, а поток нейтрино всех трех типов (электронные, мюонные
и тау) Он
оказался равным (5,44 ± 1) ·106 см-2с-1, что
соответствует теоретическому значению 5 ·106 см-2с-1.
Таким образом, гипотеза об осцилляции подтвердилась (источник информации –
журнал «Успехи физических наук», 2002 год, т. 172, стр. 216).
Таким образом, изучение
нейтрино приводит к мысли о том, что эти частицы распространяются быстрее
света.
В продолжение темы:
2011: обраружены нейтрино, двигающиеся быстрее света
2011: "опровержение опровержения" теории относительности не удалось
2012: американцы начали опыты по использованию нейтрино для связи
2013: экспериментально доказанная осцилляция нейтрино выходит за рамки Стандартной модели
Версия, пытающаяся объяснить осцилляции нейтрино в рамках теории относительности